一种增强USB 2.0延长传输的方案及应用实例

背景

USB 2.0应用限制主要在于传输距离近和抗干扰性差两方面，业内对其传输能力普遍共识为USB线缆长度不超过5 m；USB 2.0为DC耦合，主从端必须共地，共地则依靠传输线缆实现，所以地上的电压波动会引起传输误码，同时信号线从芯片管脚引出直接对外，也增加芯片接口保护的复杂度，因此需要有效解决方案。

1 技术原理

增强型USB 2.0接口传输性能的方案从物理层直接对信号本身进行增强，不解析USB协议，通过自主知识产权AC耦合技术和编解码技术，提升传输可靠性。AC耦合可消除传输线缆上的共模干扰电压，提高可靠性，避免因高压或地线上浪涌损坏。

NS1021在2个互联的USB 2.0设备间提供1条高速透明通道，且对其两端USB设备来说，兼容任何USB 2.0主机、设备及Hub(集线器)，无需安装驱动。NS1021在PC机与移动硬盘传输系统中的应用如图1所示。

通过对比可知，使用NS1021不影响传输速度。

图2 使用NS1021的系统中USB 2.0接口的眼图

2 测试效果

使用NS1021的系统中USB 2.0接口的眼图如图2所示，可以看出，经过长距离传输，信号质量并没有受到影响。

NS1021系列芯片的传输机制不仅能够保证USB 2.0最大480 Mbit/s传输速率，还做到传输零延时和避免协议解析造成的兼容性问题，且USB协议原有的良好的容错机制得到保留。其中NS1021采用1对双绞线传输，最大传输距离50 m；

NS1021E采用2对双绞线，最大传输距离40 m，均可连接hub使用，可以配合hub支持低速/全速/高速三种速度规格，QFN32（5x5）封装，外围电路简单；芯片内置电源模块，只需5 V供电；各管脚均达到8 kV HBM ESD的性能标准。

3. 视频会议系统应用

视频会议系统涉及多种音视频流和控制流，而传输距离一般超过5 m，因此传统应用较多地考虑以太网传输，后者涉及复杂的音视频编解码和网络传输业务，会影响时效性且增加系统开发和维护难度。

借助NS1021/1021E信号增强特性，允许使用者在设备端与PC之间使用Cat5线缆传输数据，如图4所示为新型视频会议系统延长传输应用，由于涉及音视频信号、控制信号传输和存储设备访问，部分传输为双向，比KVM系统更复杂。该应用直接使用USB接口传输，无需额外增加协议解析环节，而且，USB2.0的带宽更高，因此本方案比百兆以太网更有优势。

图3

4 新兴应用实例

NS1021系列芯片使USB 2.0抗干扰性显著提高，催生一些原本无长距离传输需求新兴应用，使得NS1021/NS1021E成为为设备间的互联接口的刚需。

4.1 车载USB应用

USB 2.0在传输速率、功耗及通用性上远超过100Mbit/s车载以太网，但业内一般认为USB难以满足车载对可靠性的严格要求而未能广泛应用。

4.2 混合有源光缆应用

近年来USB3.1接口已在PC机上普及，提升了其与外部设备间数据交换速度，并且得益于有源光缆（AOC）的应用，将高带宽的USB 3.1数据流通过光纤传输，利于延长传输距离和增强抗干扰性。

4 结语

IP核心网转发处理能力强，但控制面和管理面处理能力有限，同时IP网络对接入终端缺乏认证授权机制，导致任何终端均可随意接入网络，IP网络通信节点众多，通信协议层出不穷。网络的开放性和复杂性，对运营商的管理和运维提出了更高要求，在进行网络安全加固的过程中，应保证设计配置方案最大限度的满足安全要求，确保安全加固目标服从业务目标，提升互联网用户的感知水平，打造高质量的网络品牌口碑。